ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ. Seria: ENERGETYKA z. 66 Nr kol N a d a w DOBRZAŃSKI Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1978 Seria: ENERGETYKA z. 66 Nr kol. 562 N a d a w DOBRZAŃSKI Politechnika Warszawska KRYTERIA DOBORU PARAMETRÓW KONSTRUKCYJNYCH I PRZEPŁYWOWYCH PAROWNIKÓW KOTŁÓW ZE WSPOMAGANĄ I WYMUSZONĄ CYRKULACJĄ Z UWZGLĘDNIENIEM ZMIENNYCH WARUNKÓW PRACY Streszczenie, Przedstawione zostały kryteria doboru podstawowych parametrów obiegu wspomaganego i wymuszonego w kotłach. Kryteria: minimalnego strumienia masy, maksymalnego stopnia suchości pary i stabilności przepływu prowadzą do ustalenia wielkości oporów przepływu kryz dławiących na wlocie do rur parownika. Wyznaczenie charakterystyk przepływowych konturów cyrkuł acy jnych pozwala na dobór pomp obiegowych i ustalenie optymalnego sposobu ich eksploatacji w zmiennych warunkach pracy kotła. Współczesny rozwój kotłów energetycznych dużej mocy uwidocznił się szczególnie w zmianach dotyczących rozwiązań konstrukcyjnych oraz sposobu pracy podstawowego zespołu kotła, jakim jest parownik. Kotły walczakowe z cyrkulacją naturalną zastępowane są powszechnie przez kotły walczakowe ibezwalczakowe z cyrkulacją wspomaganą i wymuszoną. Polskimi -reprezentantami tego typu kotłów są kotły AP-165O i BP Konstrukcyjnie kontury oyrkulacyjne parowników obu typów nie różnią się w zasadzie między sobą: pionowe rury wznoszące tworzą ekrany komory paleniskowej, walczak i wodooddzielacz stanowią urządzenie dla separacji pary i mieszaniny parowo-wodnej, w układzie opadowym zainstalowane są pompy obiegowe. Kotły różnią się w zasadzie pracy parownika krotnością cyrkulacji. walczakowym kotle AP krotność cyrkulacji wynosi ok. 3*5, w bezwalczakowym BP f5- V kotle pierwszym siły wyporu naturalnego są bardzo znaczne, pompy "wspomagają jedypie obieg wody, przez co obieg tego typu nazwano wspomaganym. Kocioł drugi jest bardziej zbliżony dę> kotła przepływowego, udział sił wyporu naturalnego jest mniejszy, przepływ przez parownik jest w zasadzae wymuszony przez pompę obiegową. Stąd nazwa obiegu wymuszonego. W istocie jednak nie ma różnic między obiegiem wspomaganym i wymuszonym, wobec czego dla doboru parametrów konstrukcyjnych i przepływowych parowników obu typów kotłów stosuje się te same kryteria jakościowe. Kontur cyrkulaoyjny kotła z obiegiem wspomaganym lub wymuszonym (oprócz konturów cyrkulacyjnych kotłów typu La Monta) jest w zasadzie identyczny lub bardzo zbliżony (może być bardziej złożony geometrycznie, rury ekranowe mogą mieć mniejsze średnice) do klasycznego konturu kotła z obiegiem

2 366 V. Dobrzański naturalnym. Zasadniczą różnicę stanowi zainstalowanie w układzie opadowym pomp przewałowych, pokonujących dodatkowe i zwiększone opory przepływu w konturze, zapewniających dostateczną stabilność przepływu w rurach parownika oraz utrzymujących strumień masy czynnika i krotność cyrkulacji na o- kreślonym poziomie we wszystkich warunkach pracy kotła. Podstawowy parametr przepływowy parownika: żądany i z góry założony rozpływ wody na poszczególne rury lub grupy rur wznoszących, wyodrębnione jako oddzielne kontury cyrkulaoyjne, uzyskuje się przez zróżnicowane kryzowanie (dodatkowe opory przepływu) na wlocie do rur (grup rur) wznoszących, tworzących te kontury. Układ cyrkulaoyjny, złożony w ogólnym przypadku z systemu rur opadowych, pomp obiegowych z przewodami ssącymi, tłocznymi i armaturą rur wznoszących, połączonych dolnymi i górnymi komorami zbiorczymi, systemu rur odprowadzających mieszaninę parowodną do walczaka lub wodoodzielacza oraz urządzeń separacyjnych - stanowi rozgałęzioną sieć hydrauliczną, w której dodatkową komplikację stanowi mechanizm napędowy czynnika: nakładające się działanie wspomagające lub wymuszające przepływ pomp obiegowych z siłą naturalnego wyporu różną dla poszczególnych konturów cyrkulaoyjnych. Zapewnienie prawidłowego obiegu wody we wszystkich konturach cyrkulacyjnych w całym zakresie warunków pracy kotła (zmienne obciążenie cieplne i jego rozkład w komorze paleniskowej, ciśnienie robocze, temperatura wody zasilającej), wymaga ustalenia i spełnienia właściwych kryteriów doboru parametrów konstrukcyjnych i przepływowych układu cyrkulaoyjnego, a mianowicie: - kryterium minimalnego strumienia masy w rurach wznoszących; - kryterium maksymalnego stopnia suchości pary na wylocie z rur wznoszących; - kryterium stabilności przepływu. Dwa pierwsze kryteria pozwalają na ustalenie średniej krotności cyrkulacji dla całego parownika oraz określenie rozpływów czynnika na poszczególne kontury cyrkulaoyjne przy znamionowym obciążeniu kotła, co z kolei pozwala na wyznaczenie wielkości oporów kryz dławiących na wlocie do konturów. Kryterium trzecie pozwala na wyznaczenie dodatkowych oporów kryz, zapewniających stabilność przepływu czynnika. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie układ cyrkulacyjny parownika kotła ze wspomaganą lub wymuszoną cyrkulacją. Układ składa się z i grup konturów, w każdej grupie występuje k konturów cyrkulacyjnych. Sumaryczny strumień czynnika G^ dzieli się na strumienie w poszczególnych konturach G^. Dla wyznaczenia strumieni czynnika G^ korzysta się z dwu pierwszych warunków krytei ialnyoh: oraz K _ / "^k Xmax

3 Kryteria doboru parametrów konstrukcyjnych i. 367 gdzie: wj> D x - strumień masy, - strumień produkowanej pary, - stopień suchości pary. Rys. 1. Schemat układu oyrkulacyjnego kotła ze wspomaganą lub cyrkulacją wymuszoną Minimalny strumień masy określa się z warunku dostatecznego chłodzenia rur ekranowych. Maksymalny stopień suchości pary na wylocie z konturu w skrajnym przypadku może wynosić 1 (całkowite odparowanie wody), w rzeczywistości, aby nie dopuścić do przegrzania pary x <C1. max: Sumaryczny strumień wody cyrkulaoyjnej Gw = S Gk zaś średnia krotność cyrkulacji wynosi gdzie: D - całkowity strumień pary produkowanej w parowniku. Wielkość jest podstawą do doboru wydajności pompy lub zespołu pomp obiegowych. Ustalenie wielkości strumieni czynnika G^. w poszczególnych konturach cyrkułacyjnych pozwala na wyznaczenie ogólnie pojętych oporów przepływu w konturach A p ^ = przewodach odprowadzających A Pi = przy czym strumień G^ jest sumą strumieni G^ w konturach tworzących grupę i. Właściwość sieci hydraulicznej stanowiąca o tym, że opory przepływu czyn

4 368 W. D obrzański nika w jej gałęziach połąozonych na wlocie i wylocie śą równe jest podstawą do wyznaczenia oporów przepływu kryz dławiących A w, które za? pewnia żądany rozkład strumieni G^ we wszystkich konturach cyrkulacyjnych kotła. Jest to tzw. kryzowanie wyrównawcze kotła. Po ustaleniu wielkości kryzowania wyrównawczego przy znamionowym obciążeniu kotła sporządza się ogólne"charakterystyki przepływowe konturów cyrkulacyjnych = f(g) i sprawdza kryterium stabilności przepływu. \i razie wystąpienia przepływów niestabilnych wyznacza się dodatkową wielkość oporu kryz A g (tzw. kryzowanie stabilizujące), o którą zwiększa się opory kryz we wszystkich konturach cyrkulacyjnych, V ten sposób uzyskuje się drugi podstawowy parametr konieczny do doboru pomp obiegowych a mianowicie minimalną wysokość podnoszenia (po uwzględnieniu oporów przepływu w układzie opadowym). Jeżeli wysokość podnoszenia pomp przewidzianych do układu cyrkulacy jnego jest większa od sumy o po i*ów.przepływu w całym układzie, należy zwiększyć opory kryz o dodatkową wielkość p, aby punkt pracy pomp odpowiadał optymalnemu punktowi charakterystyki. Jednym z podstawowych problemów przy obliczaniu wspomaganego i wymuszonego obiegu wody jest znalezienie rozkładu przepływu czynnika w poszczególnych konturach w statycznie zmiennych warunkach pracy kotła, tzn. w przypadku, gdy podstawowe parametry cieplno-przepływowe obiegu są różne od tych, które przyjęto za znamionowe przy ustalaniu wielkości oporów kryz. Zmianie ulec może sumaryczny strumień wody cyrkulacyjnej G^ na skutek pracy pomp obiegowych przy zmienionej charakterystyce odbioru, ilość i rozkład przejmowanego przez parownik ciepła, ciśnienie robocze i temperatura wody zasilającej. Geometria układu jest już całkowicie zdeterminowana, a tym samym nie istnieje już wolny parametr, jakim przy obliczeniu warunków znamionowych był opór kryzy A pkr> Jfctóry zapewniał uzyskanie założonych rozpływów G^. Po zakryzowaniu kotła w toku obliczeń wielkości strumieni w poszczególnych konturach G^ i w grupach konturów G^ występują jako niewiadome, których bezpośrednie określenie nie jest możliwe. Rozwiązanie zadania otrzymać można różnymi metodami; iteracyjną, gradientową itp. W wyniku otrzymuje się pełne charakterystyki przepływowe konturów cyrkulacyjnych przy wszystkich przewidywanych warunkach pracy kotła (w tym również przy ciśnieniu poślizgowym). Istnieje więc możliwość stwierdzenia,czy we wszystkich warunkach obieg spełnia warunki kryterialne i wniesienia odpowiednich korekt zarówno w kryzowaniu kotła jak i doborze wydajności pomp obiegowych. Charakterystyki przepływowe konturów cyrkulacyjnych parownika, wyznaczone dla wszystkich przewidywanych warunków pracy, są podstawą do ostatecznego doboru i określenia optymalnego sposobu eksploatacji pomp obiegowych. Kotły bezwalczakowe z wymuszoną cyrkulacją, w których krotność o- biegu wynosi 1,5, w układzie opadowym zainstalowaną mają z reguły jedną pompę, druga pozostaje w rezerwie. Pompa musi zapewnić określony wydatek i wysokość podnoszenia i pracuje w sposób ciągły w całym lub częściowym

5 Kryteria doboru parametrów konstrukcyjnych i. 369 zakresie obciążeń kotła. Z tego powodu ani jej dobór, ani sposób eksploatacji nie stanowią większego problemu. przypadku kotłów z cyrkulacją wspomaganą dobór i określenie warunków pracy pomp obiegowych staje się problemem o podstawowym znaczeniu. W kotłach tych ze względu na krotność cyrkulacji rzędu 3-4 natężenie przepływu wody cyrkulacyjnej jest bardzo duże, co powoduje konieczność zainstalowania w układzie opadowym całego zespołu pomp pracujących równolegle. Są to pompy specjalne, umieszczone zazwyczaj wewnątrz centralnych rur opadowych, jednostopniowe, odśrodkowe, o wyróżniku szybkobieżności n^q w granicach i wysokości podnoszenia w obszarze maksymalnej sprawności wynoszącej O,3-0,4 MPa. Stosowane obecnie rozwiązanie kobstrukcyjne tego typu pomp nie przewidują możliwości regulacji ich wydajności, zmiana natężenia przepływu wody cyrkulacyjnej odbywać się może jedynie skokowo przez włączanie lub wyłączanie poszczególnych jednostek. Konieczna jest więc szczegółowa analiza pracy zespołu pomp w różnych warunkach eksploatacyjnych kotła, która pozwoliłaby na określenie właściwych momentów włączania i wyłączania pomp, a co za tym idzie ograniczyła koszty eksploatacyjne kotła. Ponadto niezbędne jest ustalenie dopuszczalnych obszarów obciążeń kotła dla wszystkich możliwych warunków współpracy z pompami obiegowymi, a tym samym sprecyzowanie zakresów dopuszczalnych obciążeń kotła w przypadku wypadnięcia z pracy jednej lub kilku zainstalowanych w zespole pomp. Analiza tego typu dokonywana jest przy pomocy powiązania charakterystyk przepływowych konturów cyrkulacyjnych z charakterystykami zespołu pomp dla całego przewidywanego zakresu współpracy, przy czym za podstawę analizy służą przedstawione uprzednio kryteria: minimalnego strumienia masy,maksymalnego stopnia suchości pary i stabilności przepływu. Założenie krzywych oharak te irys tycznych pomp do analizy układu oyrkulacyjnego może zostać dokonane tylko w oparciu o dane dotyoząoe konkretnej konstrukcji, która została przebadana na stacji prób. Jedyną drogą jest tu korzystanie z materiałów katalogowych łub ofertowyoh, odnoszących się do jednostek o zbliżonych parametrach technicznych, głównie zaś o zbliżonym wyróżniku szybkobieżności, który precyzuje ściśle typ pompy (kształt wirnika). Ostateczny dobór pomp nastąpić może spośród jednostek oferowanych przez wytwórnie pompowe, lub też można zamówić wykonanie pomp o określonej charakterystyce i parametrach nominalnych. Wymaganiom stawianym przy tego typu zamówieniach sprostać mogą jedynie przodujący wytwórcy,dysponujący odpowiednimi stanowiskami badawczymi. przypadku możliwości doboru zespołu pomp obiegowych spośród różnych jednostek różniących się charakterystykami pracy, lub zamówienia pomp o konkretnej charakterystyce, możliwe jest przeprowadzenie analizy prowadzą^cej do wyboru optymalnego zespołu pompowego. Analiza taka może być przeprowadzona jedynie w oparciu o dodatkowe informacje dotyczące sposobu prowadzenia bloku, w którym kocioł ma być zainstalowany, tzn. w oparciu o u- porządkowany wykres obciążeń. Prowadzone wariantowo obliczenia dla wszyst

6 37C W. Dobrzański kich rozpatrywanych zespołów pomp (z uwzględnieniem obszarów pracy kotła z wyłączonymi pompami) prowadzą do wyboru zespołu optymalnego, przy którym suma kosztów stałych i zmiennych osiąga minimum. Analiza układu przepływowego parownika może byó również podstawą do kompleksowej optymalizacji tego zespołu kotła, prowadzącej do wyboru optymalnych średnio rur wznoszących, ich podziałek, średnic przewodów łączących itp. Obliczenia przepływowe muszą być w tym przypadku połączone z obliczeniami cieplnymi, w szczególności zaś uwzględniać muszą rozkład temperatur w elementach ekranu membranowego. KPHTEPHH BUBO PA KOHC TFYKIHBHNX H nmpabjbweckhi IIAFAMETPOB HCIIAFHTEJIEii KOTJIOB C BCnOMOPATEJIBHOi) H nfhhy,hhtejiłh02 UHPKyjiaUES PAEOIAMJKC KAK B IlOCTOflHHHM, TAK H B IIEPEMEHHHM PEiKHMAX P e 3 k> m e I I p e s c T a B A e H O K p m e p H H B M ó o p a o c h o b h b d c n a p a M e i p o B B o n o M o ą e c ib o B a H H o fi a n p n H y A H T e jib H o fi iflip K y jia n H H b n a p o B ta c K O 'ij ia x. 3 t h K p a i e p H a t M H H H M ajibh oro p o 3 - x o «a M a c c a, M HHHM ajilhok B a a sh O C T H n a p a h c ia Ó n jih 3 a iy i H T e n e H a a B e ^ y i k y c i a - H O B jieh H K B e jin n H H H n o i e p e S f la s - n e m m. b B o p o ih H K a x n a B X 0A e n o A B em H a e r p y ó u. O n p e f le a e H H e r n,ą p a B.m m e c K i ix x a p a K T e p n c T H K ąn p K y jm ith O H H b o c H 3 Ó p a T Ł u,n p K y jih u ;k o H H H e H a c o C H n y c ia H O B H T B ont H M ajib H y io H a c o c o B b nepem eh H U M peach M e p o S o i u i t o u i a. K o n t y p o B n o 3 B a jih e 'i M e l o n y S K c n n y a T a n H H THE CRITERIA FOR PREDICTION OF BASIC AND FLOW PARAMETERS OF THE BOILER EVAPORATORS WITH ASSISTED -AND FORCED CIRCULATION OPERATING AT BASIC AND [VARIABLE CONDITIONS [Summary Criteria of selection of the basic parameters of assisted and forced circulation in steam boilers was described. These criteria: the minimum pass flow, the maximum vapour quality and the flow stability, lead to determination of pressure drop in orifioes installed in evaporator tube inf ets. Calculation of circulating contours flow characteristics permits to eleot circulating pumps and to define their optimum method of exploitation under variable conditions of boiler operation. I